CN110145262B - 一种钻杆抓取构件、钻杆装卸臂和煤矿用钻杆装卸机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻杆抓取构件、钻杆装卸臂和煤矿用钻杆装卸机，钻杆抓取构件包括沿轴向布置的磁性抓取件，还包括包覆磁性抓取件设置的机械抓取件；磁性抓取件进行钻杆的磁性定位，机械抓取件进行钻杆的抓取固定。钻杆装卸臂包括基座和臂体，臂体以所述基座为中心水平转动，所述臂体至少有三个铰接的活动节点，臂体端部设置抓取构件。煤矿用钻杆装卸机包括履带车体总成，在所述的履带车体总成上设置钻杆装卸总成，所述的钻杆装卸总成包括钻杆储存箱和钻杆装卸臂。本发明的煤矿用钻杆装卸机能适应各种场合及工况的钻孔施工，极大的降低了工人劳动强度和危险系数，提高了钻杆装卸效率，为煤矿井下钻孔施工无人化和智能化提供了重要装备。

Description

一种钻杆抓取构件、钻杆装卸臂和煤矿用钻杆装卸机

技术领域

本发明属于煤矿井下自动化钻探装备领域，涉及一种钻杆抓取构件、钻杆装卸臂和煤矿用钻杆装卸机。

背景技术

随着煤矿井下开采的进一步深入，井下安全问题日益突出，用于探放水孔、瓦斯抽放孔、防突卸压孔等各种钻探施工的自动化和智能化钻机发展迫在眉睫。钻杆的自动化装卸是钻机自动化和智能化发展的关键技术，传统钻机钻杆装卸主要依靠工人手动将钻杆从地面装到钻机后方主轴通孔处或者夹持器中轴线处，工人劳动强度大，效率低，安全性差，尤其是在进行高位钻孔或大角度钻孔施工时，钻杆装卸难度更大，对工人安全造成一定威胁。

目前钻杆装卸装置基本是和钻机一体化设计，采用液压驱动的控制方式，体积大，结构复杂，能容纳的钻杆数量较少，钻孔过程中需要人工往钻杆仓中补加钻杆，无法实现连续自动化钻孔；由液压驱动的钻杆装卸装置，没有集成视觉伺服控制技术，柔顺控制技术等，钻杆装卸过程控制精度低，可靠性差。且无自动封孔功能，无法配合自动钻机进行钻孔——封孔一体化全自动施工。

中国专利公开号CN106223876A，发明创造的名为全液压煤矿钻机自动上下杆装置，该发明的自动上下杆装置(储杆库、手抓等)设置在全液压煤矿钻机机身的正下方。该储杆库需要人工装填约10根钻杆，设置在储杆库上的双向液压缸运动使储杆库运动，释放一根钻杆到手抓，手抓夹紧钻杆，将钻杆运送到卡盘与夹持器轴线位置，完成一次装夹动作。在《煤矿机械》上发表的煤矿坑道钻机自动加卸钻杆装置，其主要由安装在钻机机身上的钻杆抓取机械手和轮式钻杆仓组成。钻杆仓中的钻杆一次可安装20根，转仓机构推动杆仓每旋转一个固定角度，钻杆机械手从杆仓中抓取一次钻杆，运送至夹持器卡瓦中，完成一次装夹动作。

引证相关专利文献如：

[1]邓海顺、邓月飞、代鹏；全液压煤矿钻机自动上下杆装置[P].合肥CN106223876A,2016-12-4；

[2]姚亚峰、李晓鹏、张刚、乔杰；煤矿坑道钻机自动加卸钻杆装置的研发[J].煤矿机械，2018,38(6)：91-93；

以上两种装置的共同缺陷均为：1.与钻机一体化设计的钻杆装卸装置，在施工较深、较大倾角钻孔时，需人工向杆仓补加钻杆，未解决工人劳动强度大的本质问题，也不能满足连续自动化钻孔的要求；2.前一种装置杆仓油缸带动杆仓的运动，机械手油缸推动手抓的运动，和后一种装置转仓机构带动杆仓的旋转运动、机械手的旋转和直线运动都累积误差，且关节处定位精度较高，加上机械手和钻杆的自重，很难保证完成精确地上下钻杆操作，设备使用可靠性不足。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种钻杆抓取构件，该抓取构件集钻杆定位和抓取动作为一体，能更好的进行钻杆的装卸。

本发明的第二个目的是提供一种钻杆装卸臂，与本发明的钻杆抓取构件一起进行钻杆的装卸。

本发明的第三个目的是提供一种煤矿用钻杆装卸机，提高换杆可靠性的同时，从本质上解决工人劳动强度大的问题。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

遵从本发明的第一个目的，一种钻杆抓取构件，包括沿轴向布置的磁性抓取件，还包括包覆磁性抓取件设置的机械抓取件；磁性抓取件进行钻杆的磁性定位，机械抓取件进行钻杆的抓取固定。

可选的，包括抓取关节，磁性抓取件沿轴向与抓取关节连接设置，机械抓取件一端铰接在抓取关节上，机械抓取件另一端包覆所述的磁性抓取件。

可选的，所述的磁性抓取件包括沿轴向与抓取关节连接设置的柔性件和磁性抓手；所述的机械抓取件包括机械抓手和第一油缸，机械抓手一端铰接在抓取关节上，机械抓手另一端包覆磁性抓手，第一油缸分别与抓取关节和机械抓手铰接，机械抓手通过第一油缸控制开合。

可选的，所述的磁性抓取件还包括第二油缸和磁性开关，磁性开关设置在磁性抓手上，第二油缸控制磁性开关。

遵从本发明的第二个目的，一种钻杆装卸臂，包括基座和臂体，臂体以所述基座为中心水平转动，所述臂体至少有三个铰接的活动节点，臂体端部设置抓取构件，所述的抓取构件为本发明所述的钻杆抓取构件。

遵从本发明的第三个目的，一种煤矿用钻杆装卸机，包括履带车体总成，在所述的履带车体总成上设置钻杆装卸总成，所述的钻杆装卸总成包括钻杆储存箱和钻杆装卸臂；

所述的钻杆装卸臂为本发明所述的钻杆装卸臂；

所述的钻杆储存箱，至少沿垂直钻杆轴向设置阻挡限位构件，钻杆装卸臂至少能在钻杆储存箱顶部进行钻杆的抓取。

可选的，所述的箱体支架构件包括沿竖向设置的箱体支架，在箱体支架一对对立面上设置限位门构件，在箱体支架另一对对立面上设置档杆架，档杆架上沿垂直钻杆轴向搭设档杆；

在所述箱体支架构件上还设置钻杆限位架，钻杆限位架贴设在箱体支架底面，钻杆限位架沿径向进行钻杆限位。

可选的，还包括钻杆辅助定位构件，所述的钻杆辅助定位构件包括支撑座，支撑座上沿坡向设置导向槽，在支撑座低端还设置非接触式限位开关和挡板；

所述导向槽的底部还设置排渣孔。

可选的，还包括封孔器储存箱，所述的封孔器储存箱包括限位底板，限位底板的至少一对对立面上沿竖向设置挡架，限位底板上还设置径向限位的限位架。

可选的，还包括设置在所述履带车体总成上的操纵台总装、电机泵组、油箱、主控站和电柜卷筒总装。

本发明的有益效果：

本发明为独立的煤矿用钻杆装卸机，钻杆容量大，整机体积小，便于移动，实现了稳固、定位和钻杆装卸自动化和智能化的可能，能适应各种场合及工况的钻孔施工，极大的降低了工人劳动强度和危险系数，提高了钻杆装卸效率，为煤矿井下钻孔施工无人化和智能化提供了重要装备。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本发明的钻杆抓取构件结构示意图；

图2是图1中机械抓手打开状态结构示意图；

图3是本发明的钻杆装卸臂结构示意图；

图4是本发明的煤矿用钻杆装卸机结构意图；

图5是图4中钻杆储存箱结构示意图；

图6是图4中封孔器储存箱结构示意图；

图7是图4中钻杆辅助定位构件结构示意图；

图1、2和3中，231-基座、232-腰关节、233-肩部、234-大臂构件、2341-大臂关节、2342-大臂、235-小臂构件、2351-小臂关节、2352-小臂、236-手腕构件、2361-第一手腕关节、2362-手腕、2363-第二手腕关节、237-抓取构件、2371-抓取关节、2372-机械抓手、2373-磁性抓手、2374-第一油缸、2375-第二油缸、2376-磁性开关、2377-柔性件；

图4中：1-履带车体总成、2-钻杆装卸总成、21-钻杆储存箱、22-图像采集构件、23-钻杆装卸臂、24-钻杆辅助定位构件、25-封孔器储存箱；3-操纵台总装、4-电机泵组、5-油箱、6-主控站、7-电柜卷筒总装；

图5中：211-箱体支架构件、2111-箱体支架、2112-钻杆限位架、2113-档杆架、2114-档杆、212-限位门构件、2121-限位门、2122-门栓、2123-合页；

图6中，251-限位底板、252-限位架、253-挡架；

图7中，241-支撑座、242-挡板、243-非接触式限位开关、244-导向槽、245-排渣孔。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右、前、后”通常对应于车辆的上、下、左、右、前、后，其中，“上、下”对应于竖直方向或高度方向，“左、右”对应于横向方向，其中，“升、降”是指相应的部件在竖直方向上向上或向下的运动，顶部或底部对应的竖直方向的顶或底。但上述方位词仅用于解释和说明本公开，并不用于限制。另外，需要说明的是，为了清楚地反映各部件，在图7中使用箭头指向的图表示导向槽的内部结构。

结合图1-2，本发明的一种钻杆抓取构件，包括沿轴向布置的磁性抓取件，还包括包覆磁性抓取件设置的机械抓取件；磁性抓取件进行钻杆的磁性定位，机械抓取件进行钻杆的抓取固定。本发明的钻杆抓取构件利用抓取物通常为金属件的特性，将钻杆抓取构件设置成内部中心定位、包覆外周固定的抓取形式，将机械抓取件与钻杆的接触面积减小，从而降低对钻杆的抓取伤害，另外，磁性的定位抓取形式容易控制，且能够实现电气化的自动形式。

在本公开的实施例中，钻杆抓取构件包括抓取关节2371，磁性抓取件沿轴向与抓取关节2371连接设置，机械抓取件一端铰接在抓取关节2371上，机械抓取件另一端包覆磁性抓取件。磁性抓取件沿轴向设置尽量减少占用的空间，在体积上不会增加抓取构件的负担，同时铰接式的机械抓取件方便进行开合的控制，为包覆磁性抓取件提供可能。

在本公开的实施例中，磁性抓取件包括沿轴向与抓取关节2371连接设置的柔性件2377和磁性抓手2373，比如，柔性件2377可以为波纹管、可以变形或具有一定自由度的管体或杆体，当磁性抓手2373进行钻杆的定位时可以配合实现柔性的位置变动，防止钻杆定位过程中对抓取构件的破坏；机械抓取件包括机械抓手2372和第一油缸2374，机械抓手2372一端铰接在抓取关节2371上，机械抓手2372另一端包覆磁性抓手2373，第一油缸2374分别与抓取关节2371和机械抓手2373铰接，机械抓手2372通过第一油缸2374控制开合，比如机械抓手2373为两半式的爪体，爪体一端沿抓取关节2371外铰接，两半爪体另一端进行扣合，实现对磁性抓取构件的包覆。

在本公开的实施例中，磁性抓取件还包括第二油缸2375和磁性开关2376，磁性开关2376设置在磁性抓手2373上，第二油缸2375控制磁性开关2376。比如磁性开关2376为现有技术中的永磁开关，用于控制磁性抓手2373是否带有磁性，通过第二油缸2375的缸杆伸出和收回实现对磁性开关2376的控制，另外，本发明的磁性抓手2373底端还有V型槽，可以控制在磁性定位时钻杆沿V型槽进行吸附，方便机械抓手2372的抓取。

结合图3，本发明的钻杆装卸臂包括基座231和臂体，臂体以基座231为中心水平转动，臂体至少有三个铰接的活动节点，臂体端部设置抓取构件237，抓取构件237为本发明的钻杆抓取构件。在本公开的实施例中，臂体包括依次铰接的肩部233、大臂构件234、小臂构件235和手腕构件236；基座231上设置水平转动的腰关节232，腰关节232上固设肩部233，手腕构件236端部设置抓取构件237。在本公开的实施例中，抓取构件237包括与手腕构件236同轴连接的抓取关节2371，抓取关节2371端部设置抓手2372，抓取关节2371中心设置磁性抓手2373，抓手2372通过铰接在抓取关节2371上的第一油缸2374控制开合，磁性抓手2373通过第二油缸2375和磁性块开关2376控制磁性抓手2373的轴向运动和磁性抓手2373磁性的有无。钻杆装卸臂23为六自由度串联机器人，末端负载50kg。六个防爆伺服电机用于关节部位的控制。基座231设置在履带车体前方，与履带车体平台通过螺栓连接；腰关节232设置在底座上方，与基座231通过回转支承连接；肩部232设置在腰关节232侧面，与腰关节232通过轴连接；大臂构件234、小臂构件235、手腕构件236和抓取构件237依次通过轴和轴承串接在一起。一个防爆伺服电机立式安装在腰关节232上，与腰关节232通过螺栓连接，通过回转减速器带动肩部233及以上部分相对基座231进行360°回转；一个防爆伺服电机卧式安装在大臂关节2341上，与大臂关节2341通过螺栓连接，带动大臂2342绕电机轴线前后摆动；一个防爆伺服电机垂直安装在小臂关节2351上，与小臂关节2351通过螺栓连接，带动小臂2352绕大臂2342进行360°旋转，三个防爆伺服电机呈“品”字形安装在与小臂2352螺栓连接的基座上，三个防爆伺服电机通过连杆机构分别控制第一手腕关节2361沿轴线旋转、手腕2362的旋转摆动以及第二手腕关节2363沿抓取关节2371轴线旋转，带动抓取构件237的回转和摆动。防爆伺服电机为自研防护等级为IP65的煤矿井下专用防爆伺服电机。钻杆装卸臂23整机防护等级为IP54，适应煤矿井下潮湿、多粉尘等复杂环境下的作业要求。本发明还用螺栓将图像采集构件22(单目相机)与钻杆装卸臂23左右相邻布置在车体平台上，包括相机支架和相机，相机自身配有气帘和光补偿装置来防止井下阴暗、潮湿、粉尘浓度大等恶劣环境的干扰。

结合图4-7，本发明的煤矿用钻杆装卸机包括履带车体总成1，在履带车体总成1上设置钻杆装卸总成2，钻杆装卸总成2包括钻杆储存箱21和钻杆装卸臂23；钻杆装卸臂23包括基座231和臂体，臂体以基座231为中心水平转动，臂体至少有三个铰接的活动节点，臂体端部设置抓取构件237；钻杆储存箱21，至少沿垂直钻杆轴向设置阻挡限位构件，钻杆装卸臂23至少能在钻杆储存箱21顶部进行钻杆的抓取。本发明为独立的煤矿用钻杆装卸机，钻杆容量大，整机体积小，便于移动，实现了稳固、定位和钻杆装卸自动化和智能化的可能，即提供自动化和智能化所需的硬件设备，能适应各种场合及工况的钻孔施工，极大的降低了工人劳动强度和危险系数，提高了钻杆装卸效率，为煤矿井下钻孔施工无人化和智能化提供了重要装备。通过自由度较高的钻杆装卸臂23与钻杆储存箱21的结构配合，使钻杆装卸臂23由顶部进行钻杆的抓取，钻杆储存箱21不仅能稳定的进行多根(至少100根)钻杆的储存，同时通过结构的合理设置，能满足钻杆装卸臂23的方便夹取，即钻杆的储存和取用过程均比较稳定，钻杆储存箱21中至少设置沿垂直钻杆轴向设置的阻挡限位构件，保证钻杆在轴向的位置相同，在抓取过程中避免出现卡杆、阻挡等意外情况。

在本公开的实施例中，钻杆储存箱21包括箱体支架构件211和限位门构件212，箱体支架构件211至少在竖向边设置，且限位门构件212设置在箱体支架构件211的至少一对对立面上。本发明的钻杆储存箱21在竖向进行边框架体的设置，然后根据实际需要在至少一对对立面上设置限位门构件，保证钻杆在轴向的位置相同，在抓取过程中避免出现卡杆、阻挡等意外情况。同时框架型的钻杆储存箱能够满足多个钻杆的储存需求。

在本公开的实施例中，箱体支架构件211包括沿竖向设置的箱体支架2111，在箱体支架2111一对对立面上设置限位门构件212，在箱体支架2111另一对对立面上设置档杆架2113，档杆架2113上沿垂直钻杆轴向搭设档杆2114。比如图4中的结构示意可以看出，本发明的档杆架可以是沿竖向设置多个孔的斜面板，档杆搭设在对立面的档杆架上，即形成了沿垂直于钻杆轴向、在钻杆顶部进行压制的结构，防止钻杆在运输过程中出现晃动。

在本公开的实施例中，在箱体支架构件211上还设置钻杆限位架2112，钻杆限位架2112贴设在箱体支架2111底面，钻杆限位架2112沿径向进行钻杆限位。比如图4中的结构，钻杆限位架为沿竖向带有多个半圆结构或V形结构的板体，半圆结构或V形结构的半径可以根据不同钻杆的规格制备成多种型号，以便适应不同直径的钻杆。

在本公开的实施例中，限位门构件212包括限位门2121、门栓2122和合页2123，限位门2121一边通过合页2123安装在箱体支架构件211上，限位门2121另一边通过铰接的门栓2122控制开合。比如，本公开的钻杆储存箱21设计为可容纳150根直径钻杆的体积，钻杆储存箱21与车体平台螺接，钻杆限位架2112设置在箱体支架2111底部，通过螺栓与箱体支架2111连接，钻杆限位架2112上设有特定尺寸的V型钻杆槽，用于钻杆的精确排列码放。使用不同直径的钻杆，只需更换设有对应V型槽的钻杆限位架2112，再放入对应的装卸钻杆直径，即可切换到对应直径的钻杆装卸模式，实现一机多用。限位门2121设置在箱体支架2111的左右两侧(即一对对立面上)，与箱体支架2111铰接，运输时关上门栓2122，用开合式的限位门2121挡住钻杆，防止钻杆从两侧滑落；装卸钻杆时打开门栓2122放下限位门2121，方便给钻杆丝扣涂抹黄油，也防止装卸过程中钻杆与左右两侧的限位门2121发生碰撞，给钻杆装卸臂23的抓取构件237带来破坏性冲击。

在本公开的实施例中，还包括钻杆辅助定位构件24，钻杆辅助定位构件24包括支撑座241，支撑座241上沿坡向设置导向槽244，在支撑座241低端还设置非接触式限位开关243和挡板242；导向槽244的底部还设置排渣孔245。支撑座241与履带底盘通过螺栓连接，导向槽244垂直焊接在支撑座241上，导向槽244上设有漏渣孔，导向槽244倾角为30°。

在本公开的实施例中，还包括封孔器储存箱25，封孔器储存箱25包括限位底板251，限位底板251的至少一对对立面上沿竖向设置挡架253，限位底板251上还设置径向限位的限位架252。封孔器储存箱25与车体平台螺接，封孔器储存箱25为整体式焊接件，可容纳15根直径为75mm至80mm的封孔器。封孔器储存箱25与钻杆储存箱21首次的前后紧凑地布置为钻机完成钻孔和封孔的一体化作业提供了基础。

在本公开的实施例中，还包括设置在履带车体总成1上的操纵台总装3、电机泵组4、油箱5、主控站6和电柜卷筒总装7。履带车体总成1包括履带车体平台、行走履带总成、履带防护板以及与履带车体平台通过螺栓连接的四个稳固油缸。稳固油缸上装有磁致伸缩传感器，用来测量稳固油缸的实时伸出长度，履带车体控制部分以及装在履带车体平台的双轴倾角传感器一起组成自调平和自稳固系统，实现履带车体的自动定位和自动稳固，稳定的履带车体平台能够有效的隔离煤矿井下复杂工况的干扰，使安装于稳定平台上的钻杆装卸臂能够稳定、有效地工作。操纵台总装2通过螺栓与车体平台相连，包括仪表、比例电磁阀组、护罩和操纵台支架，比例电磁阀组上带有手柄安装螺纹，比例电磁阀通过本安遥控器控制，亦可通过在电磁阀上安装手柄进行手动操作，护罩将操纵台包裹在内，保证整体美观性，防止误操作。在维修、调试或控制系统出现故障时，需先安装电磁阀手柄，再进行手动操作。油箱5通过焊接角钢与车体平台螺接，包括空气滤清器、回油滤油器、与本安遥控器通讯的无线网络模块、自封式吸油滤油器、温度变送器和高压滤油器。自封式吸油滤油器无须排出液压油，油路自动密封，可直接拔出滤芯更换。电机泵组4为钻杆装卸总成及履带车体总成的行走提供液驱动力，包括30Kw的防爆电机、安装支座法兰和排量为45ml/r的变量泵，电机泵组通过支座法兰与车体螺接，垂直安装，电机泵组嵌于车体平台中。电机泵组这种安装方式大大节省了车体平台的安装空间，并增加了车体平台部件布置的紧凑性。

主控站6安装在履带车体平台后方的安装槽中，安装槽与车体平台通过螺栓连接，安装槽在钻杆装卸臂系统运输时拆下，减小履带车体平台的尺寸。控制器设置在主控站6中，控制器接收并处理传感器发出的各种信号，根据CAN总线通讯协议将需要进行显示的信息打包后通过无线网收发模块向外传输；控制器还接收并处理无线网收发模块收到的控制信号，通过程序控制比例电磁阀组和防爆伺服电机的电流值，进而控制比例电磁阀组的换向与阀口开度以及防爆伺服电机的旋转速度、方向和位置，达到控制左右履带行走以及履带车体自调平、自稳固和钻杆装卸臂自动化装卸钻杆的目的。电柜卷筒总装7安装在托架上，托架和控制器安装槽通过螺栓相连，托架在钻杆装卸臂运输时拆下。电柜卷筒总装7为钻杆装卸臂提供强电压，卷筒上的电缆便于矿井下电力的远距离输送。

本安遥控器包括MCU模块、无线网收发器、液晶显示屏和操作面板；操作面板、液晶显示屏和无线网收发器分别与MCU模块连接；MCU模块接收操作面板发出的指令，按照通信协议将指令打包后传给无线网收发器发出；无线网收发器接收无线网收发模块发出的信号，并将信号传送给MCU模块进行处理；液晶显示屏用于显示履带车体和钻杆装卸臂的运动状态，液压系统压力，钻孔深度，钻杆直径和相关警告提示信息；操作面板包括左右履带行走控制手柄，自调平、自稳固启动/停止按钮，一键钻杆装卸按钮，各执行机构单动按钮，功能选择按钮，数字输入键盘等。

本发明的钻杆装卸臂可以配合钻杆装卸臂系统实现自动控制的功能，比如钻杆装卸臂系统的传感器组能否稳定可靠工作是决定该系统能否稳定可靠工作的关键因素。传感器组包括安装在稳固油缸内，用于检测稳固油缸伸出长度的磁致伸缩传感器；连接在液压管路中，用于检测油压压力的压力变送器；安装在履带底盘上，用于检测履带车体倾角的双轴倾角传感器；安安装在钻杆辅助定位装置的支撑架上，用于检测钻杆是否完成精确定位的接近开关；装在手抓末端，用于检测手抓是否接近钻杆的接近传感器；这些传感器采用CAN总线的方式，将数据传送给主控站。传感器组还包括安装在防爆伺服电机内部，起反馈作用的绝对值编码器以及安装在履带车体支架上起单目视觉作用单目摄像机，为钻杆装卸臂系统完成复杂环境下的单目视觉与合作目标的多系统协调跟踪控制提供数据。

实施例一：钻杆装卸

本发明的煤矿用钻杆装卸机的施工方法包括加杆过程和卸杆过程。加杆过程包括钻杆位置识别、钻杆抓取、钻杆输送和钻杆装夹四个步骤。卸杆过程包括钻杆抓取、钻杆返程输送和钻杆码放三个步骤。

加杆过程具体步骤如下：

步骤1(钻杆位置识别)：钻杆装卸臂上电后，通过无线遥控器调整磁性抓手2373处于标定位置，调整完毕后，钻杆装卸臂23根据程序中已标定的第一根抓杆位置，将磁性抓手2373移动到第一根抓杆位置来抓取钻杆。钻杆装卸臂23根据钻杆孔中心之间的距离(大小为钻杆直径)及钻杆奇偶行的排布规律编写的程来序依次识别其它钻杆的抓取位置。

步骤2(钻杆抓取)：当磁性抓手2373位于距钻杆中心孔一定距离的抓杆位置时，预进行钻杆抓取。首先，无线遥控器使第一油缸2374缸杆收回后，机械抓手2372便快速打开。然后，磁性抓手2373下移一定距离，至磁性抓手2373的V型表面与钻杆贴合。最后，第二油缸2375动作，使磁性开关2376打开，从而磁性抓手2373产生磁力吸住钻杆。接收到上杆准备信号后，第一油缸2374缸杆伸出后推动机械抓手2372抓紧钻杆，同时视觉相机采集一次图像信息。

步骤3(钻杆输送)：钻杆输送分为钻杆输送从钻杆储存箱21到钻杆辅助定位构件24的阶段一和钻杆辅助定位构件24到钻机的阶段二。阶段一为根据多项式差值算法规划的钻杆装卸臂运动轨迹，钻杆放至钻杆辅助定位构件24的导向槽244中，待钻杆在重力作用下顺着导向槽244滑向挡板242，非接触式限位开关243检测到钻杆位置，实现钻杆精确定位后，钻杆装卸臂23再抓取钻杆。

阶段二为根据多项式差值算法规划的机器人运动轨迹，借助单目相机与安装在钻机上的合作目标，利用视觉伺服控制方法，钻杆装卸臂23将钻杆准确运送至钻机给进装置处于一定角度(该角度由钻进机器人±90°的倾角和±90°的方位角共同决定)的夹持器卡瓦中轴线处。

步骤4(钻杆装夹)：当钻杆位于钻机夹持器中轴线处时，接收到钻机夹持器夹紧信号后，抓手2372松开，钻杆装卸臂23退回到下一根钻杆抓取位置。抓手2372中嵌入了被动柔顺控制技术，避免钻杆装卸臂23作业过程中，钻机的夹持器夹持钻杆时对装卸机器人手抓产生的冲击破坏。

卸杆过程步骤如下：

步骤一(钻杆抓取)：当钻机施工完毕后，视觉相机采集一次图像信息。借助单目相机与安装在钻机给进机身上的合作目标，利用视觉伺服控制方法，钻机从抓杆前标定位置运动到双夹持器中轴线位置处，然后钻杆装卸臂23夹紧钻杆。

步骤二(钻杆返程输送)：钻杆装卸23接收到夹持器松开信号后，按照多项式差值算法规划的返程轨迹，将钻杆直接输送到钻杆箱原始码放位置。

步骤三(钻杆码放)：钻机输送完第一根钻杆后，按照钻杆之间距离及钻杆奇偶行的排布规律编写的程来序依次准确码放其它钻杆。

加卸杆过程中视觉伺服控制方法包括图像获取、图像增强处理、特征匹配与测量、数据传输五个部分。

图像获取：由钻杆装卸臂向单目相机发送测量触发信号，相机在收到触发信号后对钻进机器人上安装的合作目标拍照，从而得到钻进机器人位姿状态图像；

图像平滑处理：利用均值滤波算法对钻进机器人位姿图像进行平滑处理，消除图像中的随机噪声，均值滤波也称为线性滤波，其采用的主要方法为邻域平均法；

图像增强：采用直方图增强钻进机器人的主机姿态图像，改善图像的视觉效果，突出钻进机器人主机的轮廓线，以便于精确测量钻进机器人姿态角度及位置；

特征匹配及测量：采用SURF特征提取算法提取钻进机器人姿态图像特征，并与模板图像进行匹配，计算钻进机器人姿态图像相对于模板图像的角度变化及位置信息；

数据传输：将钻进机器人的角度及位置信息通过TCP/IP协议发送给机器人，控制机器人。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所发明的内容。

Claims (1)

1.一种煤矿用钻杆装卸机，其特征在于，包括履带车体总成（1），在所述的履带车体总成（1）上设置钻杆装卸总成（2），所述的钻杆装卸总成（2）包括钻杆储存箱（21）和钻杆装卸臂（23）；所述的钻杆装卸臂（23）至少能在钻杆储存箱（21）顶部进行钻杆的抓取；

钻杆装卸臂（23）包括基座（231）和臂体，臂体包括依次铰接的肩部（233）、大臂构件（234）、小臂构件（235）和手腕构件（236）；基座（231）上设置水平转动的腰关节（232），腰关节（232）上固设肩部（233），手腕构件（236）端部设置抓取构件（237）；

基座（231）设置在履带车体前方，与履带车体平台通过螺栓连接；腰关节（232）设置在基座（231）上方，与基座（231）通过回转支承连接；肩部（233）设置在腰关节（232）侧面，与腰关节（232）通过轴连接；大臂构件（234）、小臂构件（235）、手腕构件（236）和抓取构件（237）依次通过轴和轴承串接在一起；一个防爆伺服电机立式安装在腰关节（232）上，与腰关节（232）通过螺栓连接，通过回转减速器带动肩部（233）及以上部分相对基座（231）进行360°回转；一个防爆伺服电机卧式安装在大臂关节（2341）上，与大臂关节（2341）通过螺栓连接，带动大臂（2342）绕电机轴线前后摆动；一个防爆伺服电机垂直安装在小臂关节（2351）上，与小臂关节（2351）通过螺栓连接，带动小臂（2352）绕大臂（2342）进行360°旋转；

钻杆抓取构件包括沿轴向布置的磁性抓取件，还包括包覆磁性抓取件设置的机械抓取件；磁性抓取件进行钻杆的磁性定位，机械抓取件进行钻杆的抓取固定；包括抓取关节（2371），磁性抓取件沿轴向与抓取关节（2371）连接设置，机械抓取件一端铰接在抓取关节（2371）上，机械抓取件另一端包覆所述的磁性抓取件；所述的磁性抓取件包括沿轴向与抓取关节（2371）连接设置的柔性件（2377）和磁性抓手（2373）；

所述的机械抓取件包括机械抓手（2372）和第一油缸（2374），机械抓手（2372）一端铰接在抓取关节（2371）上，机械抓手（2372）另一端包覆磁性抓手（2373），第一油缸（2374）分别与抓取关节（2371）和机械抓手（2373）铰接，机械抓手（2372）通过第一油缸（2374）控制开合；

所述的磁性抓取件还包括第二油缸（2375）和磁性开关（2376），磁性开关（2376）设置在磁性抓手（2373）上，第二油缸（2375）控制磁性开关（2376）；

所述的钻杆储存箱（21）包括箱体支架构件（211）和限位门构件（212）；所述的箱体支架构件（211）包括沿竖向设置的箱体支架（2111），在箱体支架（2111）一对对立面上设置限位门构件（212），在箱体支架（2111）另一对对立面上设置档杆架（2113），档杆架（2113）上沿垂直钻杆轴向搭设档杆（2114）；在所述箱体支架构件（211）上还设置钻杆限位架（2112），钻杆限位架（2112）贴设在箱体支架（2111）底面，钻杆限位架（2112）沿径向进行钻杆限位；

还包括钻杆辅助定位构件（24），所述的钻杆辅助定位构件（24）包括支撑座（241），支撑座（241）上沿坡向设置导向槽（244），在支撑座（241）低端还设置非接触式限位开关（243）和挡板（242）；

所述导向槽（244）的底部还设置排渣孔（245）；

还包括封孔器储存箱（25），所述的封孔器储存箱（25）包括限位底板（251），限位底板（251）的至少一对对立面上沿竖向设置挡架（253），限位底板（251）上还设置径向限位的限位架（252）；

还包括设置在所述履带车体总成（1）上的操纵台总装（3）、电机泵组（4）、油箱（5）、主控站（6）和电柜卷筒总装（7）。

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